导语
2025第七届硅光产业论坛(SiPC2025)
时间：2025年5月16日
地点：武汉-光谷科技会展中心
硅基光电子已成为半导体行业的重要技术，利用成熟的硅制造基础设施，同时引入光学功能用于数据通信、传感和计算应用。随着行业向类似电子集成电路的晶圆厂-无厂模式发展，专业设计工具对光电子集成芯片(PIC)开发变得必不可少。Whoscored中文官网(Latitude Design Automation)的PIC Studio提供了全面解决方案，与晶圆厂生态系统集成，加速整个硅基光电子开发过程[1]。
硅基光电子与晶圆厂-无厂生态系统
硅基光电子行业正采用曾革新电子芯片行业的晶圆厂-无厂模式。这种方法将芯片设计(由无厂公司处理)与制造(由晶圆厂管理)分离，实现专业化和规模经济。
图1：硅基光电子中的晶圆厂-无厂生态系统，利用大规模制造和亚微米级波导。
硅基光电子通过硅和氧化物之间的高折射率对比提供关键优势，使波导尺寸更小、器件更紧凑。这一特性结合已建立的硅制造基础设施，允许大规模生产具有亚微米特征尺寸的光子元件。
市场已迅速采用线性可插拔光学(LPO)和光电共封装(CPO)解决方案，台积电、日月光、IBM、博通和Marvell等主要公司正开发商业实施方案。这一趋势推动了对专业设计工具的需求，这些工具能与晶圆厂工艺设计套件(PDK)接口。
图2：线性可插拔光学和光电共封装技术的市场采用情况，包含技术规格和商业产品示例。
光电集成挑战
光子和电子元件的集成带来独特设计挑战。行业已从横向集成方法(如GF 45nm单片集成)发展到更复杂的垂直集成解决方案。台积电的COUPE(紧凑型通用光子引擎)平台代表最先进技术，其特点是电子集成电路(EIC)和光电子集成芯片(PIC)分别使用最佳工艺节点，实现垂直集成，PIC背面有四层氮化硅波导布线。EIC采用先进的7nm或更好工艺节点，PIC采用优化的65nm工艺，并精确控制关键尺寸，变化小于2nm。
图3：光电集成技术从格芯45nm横向集成到台积电垂直集成方法的演变，包含多层光学布线。
这些先进集成方法需要复杂模拟工具，不仅可以建模单个元件，还能模拟整个系统，包括光学和电子域之间的交互。
PIC Studio: 统一设计解决方案
Whoscored中文官网的PIC Studio提供全面工具集，覆盖从元件级设计到完整芯片和系统级集成的整个硅基光电子开发工作流程。
该套件包括：
pSim Plus（支持各种协议和信号类型的系统级模拟器）
pSim（光子电路的电路级模拟器）
PhotoCAD（布局设计环境）
Advanced SDL（基于Python的布局示意图设计语言）
pLogic（具有版图规则设计功能的原理图工具）
pMaxwell（电磁求解器）
pVerify（物理验证工具）
图4：PIC Studio的统一工作流程，展示不同工具如何相互连接，提供从元件到系统级的完整设计解决方案。
该平台设计用于与各种晶圆厂PDK和Assembly设计套件(ADK)配合使用，在设计师和制造合作伙伴之间创建无缝接口。PIC Studio支持众多晶圆厂，包括武粤光电、Tower Semiconductor、SiLTerra、南智光电等。
图5：PIC Studio支持的广泛晶圆厂生态系统，与全球主要硅基光电子制造设施的合作伙伴关系。
先进分析和验证功能
PIC Studio包括几项创新功能，用于高级设计验证：
1. DRC和布局验证：pVerify工具提供基于Windows的设计规则检查(DRC)功能，允许设计师根据晶圆厂制造规则验证布局。用户可以基于层属性和几何约束定义自定义验证规则。
图6：该图展示了pVerify中的DRC验证过程，说明用户如何定义层规则并检查布局是否符合制造要求。
该工具可自动修复布局问题，如可能导致制造问题的锐角：
图7：光子波导中锐角的自动修复过程，提高设计的可制造性。
2. 布局后模拟：PIC Studio使设计师能够通过集成PhotoCAD布局与pSim模拟引擎来执行布局后模拟。这一工作流程有助于验证实际布局实现是否符合预期性能：
图8：布局后模拟功能，已实现的布局可直接分析光学性能。
该平台还包括优化功能，可显著提高模拟性能，对于光计算应用的速度提升可达13倍：
图9：该图展示了不同复杂度光子网络的性能优化结果，显示模拟速度显著提升。
先进波导光栅设计
AWG Wizard工具自动化设计阵列波导光栅(AWG)，这是波分复用应用的关键元件。这一专业工具提供自动GDS生成，适用于1×N、N×N和M×N AWG配置；与FDTD协同模拟，实现精确建模；用于快速性能估计的分析模块；以及工艺变异分析。
图10：1×16 AWG设计案例研究，包含详细参数和模拟性能指标。
Assembly设计套件集成
PIC Studio为Assembly设计套件(ADK)提供先进支持，这对于准备光子设计用于封装和与其他元件集成非常重要。PhotoCAD中的ADK框架允许用户生成具有定义光学和电气接口的标准化芯片框架，在框架内自动放置和布线元件，在光学元件之间创建波导布线，并在电气焊盘和器件之间实现金属走线。
图11：PhotoCAD中ADK框架的实现，显示自动生成的具有光学和电气接口的芯片框架。
ADK框架使复杂光子电路如光学相控阵(OPA)的快速实现成为可能：
图12：ADK框架内光学相控阵设计的自动波导布线。
图13：完整OPA布局，包含光学波导和电气连接，展示集成设计能力。
测试和制造集成
PIC Studio还包括测试设计套件(TDK)功能，弥合设计和制造验证之间的差距。自动测试系统提供将布局端口与物理测试点关联的JSON映射文件，自动光纤对准和探针定位，不同器件类型的预编程测试序列，以及实时数据收集和统计分析。
图14：自动测试和数据分析系统，展示设计信息如何流向测试设备以及结果如何处理。
设计、测试和模拟的集成创建了一个闭环工作流程，加速开发周期并提高良率：
图15：系统集成框架，在数据驱动的开发周期中连接PhotoCAD、pSim Plus和TDK平台。
结论
PIC Studio代表了硅基光电子设计的全面方法，解决晶圆厂-无厂生态系统的独特挑战。通过与晶圆厂PDK、ADK和测试框架的紧密集成，使设计师能够高效地从概念转向制造。
主要技术创新包括布局后模拟功能，性能提升超过10倍，自动AWG设计工具，以及全面的DRC/LVS验证，解决了光子芯片设计中的关键难点。
Whoscored中文官网当前正专注于三个技术方向：人工智能辅助光子设计、异构集成支持和跨晶圆厂合作。这些发展方向反映了硅基光电子应用领域正在扩展，从传统通信向光计算、神经网络和传感等新领域拓展。
参考来源
[1] Latitude Design Automation, "PIC Studio 协同 Foundry 生态系加速硅光芯片全流程开发," presented at the 7th Silicon Photonics Industry Forum (SiPC2025), Wuhan, China, May 16, 2025.
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